Les Études Géologiques Et Géotechniques d

Intoduction

Les études géologiques et géotechniques d’un site de barrage ont pour but de définir la nature, les caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques des sols. Elles permettent de donner des renseignements précis sur : • L’étanchéité et la stabilité mécanique des fondations ; • L’étanchéité de la cuvette de la retenue ; • L’existence et les retenue et de la qualité de ses de  ses eaux (apports solides, caractéristiques des eaux). Des études seront pour connaître aussi complètement que possible la nature géologique des terrains du bassin versant, de la cuvette, de la zone d’implantation d’implantation du barrage et de la zone d’emprunt.

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1- Echelle du bassin versant Les études géologiques et géotechniques doivent fournir les indications sur son aptitude à l’écoulement.

2- Echelle de la cuvette L’étude de l’étanchéité de la cuvette sera surtout basée sur la détermination du degré de perméabilité des terrains. Si leur imperméabilité est insuffisante, il est nécessaire de faire des essais in situ pour tous les types de sols et, comme des analyses granulométriques et des mesures en laboratoire pour les sols des fonds de cuvette afin de déterminer leur degré de perméabilité. Ces essais permettent de déterminer les coefficients de perméabilité pour évaluer l’ampleur des fuites possibles visvis - a –vis a –vis des débits d’alimentati d’alimentation on de la cuvette cuvette et à définir les travaux d’étanchéitisation à envisager. envisag er. Ces fuites sont dues à des assises perméables ou des accidents tectoniques (failles, fracture) de la retenue.

2.1- Travaux d’étanchétisation : Ces travaux sont nécessaires dans le cas où le fonds de la cuvette a un coefficient de perméabilité supérieur à 10 -4cm/s (10-6m/s) sur une épaisseur de 0.50m au minimum. Divers de travaux d’étanchéitisation peuvent être adoptés : a) pour la couche superficielle, formée de matériaux à granulométrie assez étendue avec au moins 3 à 4% d’éléments fins de diamètre inférieur à 0.05m, on peut faire des travaux de scarification et de compactage pour diminuer la perméabilité à des valeurs acceptables. b) Pour la cuvette présentant des parties affleurées de sable et gravier, un apport d’argile compacte de 0.50m d’épaisseur est nécessaire. On peut s’attendre à un phénomène d’auto colmatage, dû aux apports des sédiments des fonds de la cuvette après quelques années d’exploitation. En bref, dans le cas de barrage en terre, la cuvette doit être aussi imperméable que possible et ne doit présenter aucun caractère de perméabilité en grand.

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3-Echelle de la zone d’implantation Pour les barrages en terre, comme pour les barrages en béton, la connaissance exacte des matériaux sur les quels sera construit l’ouvrage est absolument indispensable. Pour cela, on doit apporter le plus de soins possibles à l’étude des fondations car elle a une influence sur le choix du type et du profil du barrage à adopter et de prévoir les dispositifs spéciaux appropriés tels que : tapis filtrants, … Un des avantages bien connus des barrages en terre est leur facilité d’adaptation aux différents types de sols de fondations, il suffit alors vérifier par quelques sondages la nature des fondations afin de vérifier qu’elles ne comportent pas trop près de la surface, de couches compressibles. Pour les petites retenues, on utilisera le sondage à la tarière. Dès que la hauteur des ouvrages dépasse 5 à 6m, il est nécessaire de prévoir la visite sur place d’un géologue qui peut fournir une définition précise de la structure des terrains formant la fondation de l’ouvrage. En ce qui concerne les infiltrations à travers les fondations d’ un barrage en terre, elles peuvent entraîner un danger de sous pressions et de renards. Ce sont les sols formés d’alluvions perméables d’alluvions perméables qui sont favorables à la formation des renards. Il y a donc risque de destruction totale de l’ouvrage. Ainsi, pour les sols so ls de fondation, l’interprétation des données issues sur des études géologiques et géotechniques est très importante. Pour l’étude des fondations, deux points sont à considérer : - Stabilité (détermination des caractéristiques mécaniques) ; - Etanchéité (calcul du coefficient de perméabilité).

3.1- Cas de fondations rocheuses Pour les fondations rocheuses, il est nécessaire de déterminer l’épaisseur des couches altérées et de détecter les fissures ou les failles. Pour ce type de fondations, le barrage en béton est généralement le plus choisi, mais en cas d’un barrage d’un barrage en terre, la liaison terre roche nécessite des études appropriées est à surveiller de près.

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3.2 Cas de fondations meubles L’étude des fondations meubles se portera sur les points suivants : - Définition de la structure des couches de terrains de fondation ; - Détermination de leurs caractéristiques mécaniques et hydrodynamique. Les barrages fondés sur les alluvions sont en général des barrages en enrochements. Les barrages en terre sont souvent implantés dans des vallées recouvertes d’une importance couches d’alluvions. La connaissance des caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques des couches de fondation permet de voir si les assises sont capables de supporter les efforts de cisaillement qui s’y développent du fait du poids de la digue et si elles ont une imperméabilité suffisante pour éviter des fuites importantes et, ne présentent pas trop de tassement. La détermination des caractéristiques mécaniques et hydrodynamique sera faite en laboratoire sur échantillons non remaniés, prélevés jusqu’à une profondeur à peu près égale au ¼ ou 1/3 de la hauteur du barrage dans des tranchées ou dans des puits creusés suivant l’axe de la digue, la  digue, A défaut on doit recourir à des sondages (existences de la nappe aquifère).

4- Essais d’identification 4.1- Essais mécaniques Ils consistent à déterminer la résistance au ci saillement τ et le tassement ∆ 4.1.1- Résistances au cisaillement L’étude mécanique élémentaire de la résistance d’un sol s’effectue sous deux contraintes principales seulement pour une déformation plane : Une contrainte τ normale normale au plan de cisaillement sur lequel on applique une contrainte de cisaillement pour provoquer un mouvement de glissement. L’essai se fait dans la boite de CASAGRANDE représentée par le schéma ci-dessous

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Principe de la boîte de CASAGRANDE

Pour diverses valeurs deσ , on peut construire la courbe τ = f (σ ) appelée : courbe intrinsèque du matériau.

Courbe intrinsèque

Avec C : cohésion représentée par l’ordonnée du point d’intersection de la droite avec l’axe des contraintes des contraintes tangentielles. ϕ : angle de frottement interne : c’est l’angle de droit e représentative avec l’horizontale Tous les calculs de stabilité en mécanique des sols (stabilité des pentes, de fondations, d’ouvrages de d’ouvrages de soutènement) sont liés aux caractéristiques mécaniques des terrains. Les deux caractéristiques importantes d’un sol sont : L’angle de frottement ; la cohésion C

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a) Angle de frottement interne ϕ : Il existe un frottement interne entre les grains du sol : cet angle de frottement est fonction de la nature des grains de leur forme, de leur taille, de leur rugosité, la compacité,… compacit é,… On peut donner, à titre indicatif, la formule empirique suivante donnant l’angle de frottement interne de matériaux pulvérulents. ϕ = 36 °+ϕ °+ϕ 1+ϕ 2+ϕ 3+ϕ 4 Avec ϕ1 concerne la compacité -6 < ϕ1 < +6 ϕ 2 Concerne la forme et la rugosité des grains : Aigu +1 Moyen 0 Arrondi -3 Très rond -5 ϕ 3 Concerne la grosseur des grains : Sable 0 Gravier fin +1° Gros gravier +2° ϕ 4 Concerne la granulométrie Uniforme -3 Moyenne 0 Etalée +3 b) cohésion : Au point de vue physique, il s’agit de la propriété qu’ont certains sols de se présenter « en mottes » du fait de forces d’attraction inter granulaires qui sont en particulier dues aux forces de particularité. Les matériaux doués de cohésion sont so nt dits « cohérents » exemple : marne, argile…

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4.2- Essais hydrodynamiques Ils ont pour but de déterminer les coefficients de perméabilité des sols de fondation. Pour cela, on peut distinguer : -Les méthodes in situ (essais de pompage) ; - Les méthodes de laboratoire. 5- Echelle de la zone d’emprunt matériaux de construction La définition des zones d’emprunt constitue un élément essentiel du projet, d’où dépendront les caractéristiques de l’ouvrage. On a vu que l’un des critères importants du choix du site s ite est la proximité de matériaux convenables, en qualité et en quantité suffisante. Le coût de l’ouvrage augmente considérablement avec la distance de transport des matériaux acceptable est même dans le cas de petits barrages. La limite supérieure de 1 km. Le but de l’étude géotechnique de la zones d’emprunt consiste à : • Déterminer les matériaux aptes à la zone construction parmi les nombreux échantillons prélevés dans les zones d’emprunt localisées ; • Etudier les propriétés physiques et mécaniques des matériaux disponibles. Les échantillons prélevés nécessairement remaniés (ce qui n’a aucune importance puisqu’il s’agit de matériaux devant être extrais et compactés) sont soumis à des essais de laboratoire de mécanique des sols portant sur : • L’identification L’identification et classification des sols ; • Le compactage (Essais de compactage ou essai PROCTOR) ; • La perméabilité

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5.1.1- Teneur en eau naturelle W C’est le rapport exprimé en pourcentage du poids d’eau que le sol contient au poids de ces éléments secs, après dessiccation à l’étuve à plus de 100°C pendant un temps suffisamment long. La connaissance de la teneur en eau d’un sol est très importante car elle permet avec d’autres caractéristiques d’apprécier l’état dans lequel se trouve ce sol.

5.1.1.1- Degré de saturation C’est le rapport du volume de l’eau au volume de vides d’un sol. Le degré Le  degré de saturation peut être exprimé en pourcentage ou en nombre décimal. 5.1.1.2- Poids volumique Le poids volumique du sol humides (ou apparent) est le rapport du poids du matériau sec contenu dans une certaine quantité du sol au volume de ce même sol.

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Poids volumique du sol sec λd C’est le rapport du poids de matériau sec contenu dans une certaine quantité de sol au volume de ce même sol.

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• Wp – limite de plasticité : teneur en eau d’un sol remanié au point de transition entre les états plastique et solide. • Ip – indice – indice de plasticité : Différence entre les limites de liquidité et de plasticité. Cet indice définit l’étendue du domaine plastique. Ip = Wl – Wl –Wp Wp • Ic – indice – indice de consistances : Rapport définie par la formule suivante

 =

 −  

Où w est la teneur en eau du sol son états naturel et ne comportant pas des éléments supérieur 400 µm. Les teneurs en eau étant exprimées en pourcentage, l’indice de plasticité est un nombre sans dimension.

Représentation limites d'Atterberg

Principe de détermination des limites d’Atterberg - Recherche de la teneur en eau pour laquelle une rainure dans un sol placé dans une coupelle de caractéristiques imposées se ferme lorsque la coupelle et son

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déterminer la teneur en eau optimale, qui conduit à la force portante maximal ce pour un sol donné et des conditions de compactage données. Déterminer la force portante correspondant à une teneur en eau donnée serait long, difficile et aléatoire. Il est préférable d’utiliser une autre fonction de le teneur en eau, qui présente au maximum pour la même valeur de la teneur en eau que la force portante : la masse volumique apparente sèche. - Schéma du processus Avec un matériel et suivant un processus normalisé, on compacte des échantillons du sol étudié à diverses valeurs de ω, et on déterminer les ds correspondantes. On porte les résultats sur une graphique, et on fait passer une courbe au mieux par les points trouvés, courbe dont on détermine le maximum. L’abscisse de ce maximum est la teneur en eau optimale, ω opt , et son ordonnée la masse volumique apparente sèche maximal dmax . Pour cette c ette même valeur ω opt, la force portante est également maximale

Schéma du processus du Proctor

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Moule Proctor

Moule C.B.R

Le moule Proctor, utilisable pour les sols fins ; Le moule CBR, généralement utilisé. Il sert aussi pour l’essai CBR  ;

Diamètre et hauteur moules

2. Dame Tube cylindrique, avec mouton actionné par une poigné

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Dame Proctor Normal

Dame Proctor Modifié

Deux dames, en fonction de l’intensité de compactage désirée : La « Dame P.N », utilisée pour l’essai « Proctor Normal » La « Dame P.M », utilisée pour l’essai « Proctor Modifié »

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• En fonction du moule utilisé Rappelons les diamètres de la dame et des moules : Soit dans les mêmes rapports que les nombres1, 2 et 3. Les surfaces des moules peuvent donc être couvertes de la manière suivante.

Moule Proctor (4 coups)

Moule C.B.R (7 coups)

Pour que toute la surface soit touchée, on compactera ainsi : 



Moule Proctor : 6cycles de 4coups, plus en dernier coup au centre, soit 25 coups parcouches Moule CBR: 8cycles, le dernier ne comportant pas de coup au centre, soit 55 coups par couches

- Quantité de matériau a utilisé par couche Nous verrons plus loin que, après compactage, le sol doit arriver à environ

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de tamis et à peser successivement le refus cumulé sur chaque tamis. La masse de refus cumulée sur chaque tamis estrapportée à la masse totale sèche de l’échantillon soumis à l’analyse. - Définitions Analyse granulométrique par tamisage : Ensemble des opérations aboutissant selon leur grosseur des éléments constituant un échantillon, en employant des tamis à maille carrée afin d’obtenir une représentation une  représentation de la répartition du masse des particules à l’état sec en fonction de leur dimension. 1. Objet : Elle consiste à déterminer de la granularité des sols et des granulats dont les dimensions sont comprises entre 0.08 millimètre et 80 millimètres. 2. Matériel utilisé On utilise tamis, dans les quels l’organe de séparation est constitué d’une toile métallique ou d’une tôle perforée définissant des trous carrées.

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principales caractérisées par les dimensions extrêmes d et D des granulats rencontrées (Norme NFP18-101): • Les fines 0/D avec D ≤ 0,08 mm, • Les sables 0/D avec D ≤ 6,3 mm, • Les gravillons d/D avec d ≥ 2 mm et D ≤ 31,5 mm, • Les cailloux d/D avec d ≥ 20 mm et D ≤ 80 mm, • Les graves d/D avec d ≥ 6,3 mm et D ≤ 80 mm,

Il peut être utile dans certains cas d'écrire la classification suivante: